VR 技術在燃燒合成粉體實驗教學中的應用

李家科 劉 欣 王艷香 范學運 郭平春

（景德鎮陶瓷大學 材料科學與工程學院，江西 景德鎮 333403）

0 引言

虛擬現實技術（Virtual Reality）簡稱VR，是一門綜合計算機、多媒體、傳感以及人工智能等多項技術形成的綜合性技術， 是20 世紀中后期發展起來的一項新的視覺仿真技術， 具有較強的交互性和沉浸感[1，2]。 目前，VR 技術已經成功應用到許多領域，如航天、醫療、駕駛、娛樂、商業等。 將其引入教育領域特別是實踐課程的教學中， 一方面可以促進教育現代化進程，適應時代的發展需求[3]；另一方面可以提高學生的學習興趣，獲得比傳統教學手段更好的教學效果。 同時還能夠資源共享，提高實驗資源的利用率。 特別是在一些具有潛在危害性的實踐課程引入VR 技術，具有很好的發展前景和應用價值[4]。

1 燃燒合成粉體實驗存在的問題

燃燒合成（Combustion Synthesis，CS），又稱自蔓延高溫合成，是一種利用化學反應的自身放熱使反應持續進行的合成方法， 具有制備工藝簡單、 無須貴重設備、合成時間短、合成粉體性能優異等特點[5]。 采用該方法可以合成陶瓷粉體、色料、復合材料和涂層等。 因此，這種合成技術是景德鎮陶瓷大學和其他高校實驗課程（驗證性、設計性、綜合性和創新性）的重要組成部分。 采用燃燒法合成超細粉體是我校材料類專業學生必修的綜合性實驗項目，通過改變燃燒合成實驗參數，可以獲得不同形貌、不同性能的粉體。

然而，由于燃燒合成過程具有反應劇烈、易爆、放熱量大、反應迅速等特性[6]，為了保證安全，在實驗過程中，操作者需要佩戴防護（防爆）眼鏡和手套等設備，加之反應時間較短（僅僅幾秒鐘）和學生帶有恐懼心理等，所以實驗教學效果并不理想。 因此，探尋燃燒合成實驗新方法是各大高校亟待解決的問題。

2 VR 技術在實踐教學中的優勢

VR 是當前最熱門的信息技術之一， 是教育現代化的首選技術，它運用計算機程序設計的接近真實的三維虛擬環境，使用戶可以獲得身臨其境的感覺，從而構建起對于現實世界的認知，具有良好的應用前景[7]。目前，VR 技術已廣泛應用于多個領域。 在醫學領域，醫學家們利用計算機，在虛擬空間中模擬出人體組織和器官，讓學生進行操作，便于提高學生的動手能力并快速掌握手術要領。 在設計領域，設計師可以將自己的想法通過VR 模擬出來， 在虛擬環境中看到設計的實際效果，既節省了時間，又降低了成本。 在航天領域，利用VR 技術，可以在虛擬空間重現航天飛船與飛行環境， 使飛行員在其中進行飛行訓練和實驗操作，極大地降低經費并減小危險系數。 此外，VR 還在娛樂、軍事、教育等方面得到廣泛應用。

將VR 技術應用于實踐教學， 具有以下幾大優勢[8-10]：（1）彌補傳統實踐教學的不足。 傳統實驗教學中主要存在問題包括危險化學品的使用、高溫高壓設備的運用、強磁強電場環境等對實驗者具有潛在危險的實驗教學項目； 另外還有些技術含量高、 大型或特大型、高精密度的儀器設備，這類儀器設備具有使用成本高的特點。 因此，在實際教學過程中，各高校均有意減少這類高風險、高投入的實驗項目，使得教學效果受到影響。（2）創新實踐教學方式。相對于理論教學，實踐教學的創新性稍顯落后。 VR 技術能夠全程演示實驗的標準操作過程，并允許試錯和反復操作，不受時空的限制， 可以在時間和空間維度上拓展實驗者的操作技能、熟悉實驗的操作步驟，在虛擬環境下完成操作技能的學習，進而提高教學效果。（3）激發學生的學習興趣，提高其創新能力。 新技術的應用， 會使學生產生新奇感，進而激發學習興趣。利用VR 可以創建不同的情境模式，如體驗式、探索式、想象式等，可以在多種實踐模式下引導學生自主創新實踐，發展思維，便于提高其創新能力。 在虛擬實驗中，學生具有充分的實驗自主權，能夠實現各種現實中不可視、不可摸、不可入、高危險的實驗以及想象的實驗場景和科研對象， 對傳統的實踐性教學來說可謂一次巨大變革。

3 VR 技術在燃燒合成粉體實驗中的應用思路

燃燒合成粉體實驗大致可分為三個部分：前驅體溶液的配制、前驅體溶液的燒成（即燃燒過程）、后期保溫階段（約10 min）。 在前驅體溶液的配制階段中若對試樣沒有特殊要求，其操作性較強，危險系數較小。但前驅體溶液的燒成階段卻具有較高危險性，其一， 前驅體溶液需要放置于升溫至一定溫度的高溫爐中（一般高于 300 ℃，有時甚至高達 600～700 ℃）。其二，溶液置于爐中的瞬間便發生劇烈燃燒反應，該反應劇烈且迅速。 因此，學生在進行這部分實驗時往往帶有較重的恐懼心理， 操作時易產生心慌手抖的現象，造成溶液潑濺、容器破碎，甚至會燒傷操作者等實驗事故，導致實驗效果不理想。 實驗的第三部分即保溫階段，此時爐門已關閉，里面發生的反應和現象無法觀察與掌握。 此外，該實驗中盛裝溶液的容器由于要經受急冷急熱，極易破損，增加了實驗成本。

因此，基于VR 技術的優勢，在燃燒合成粉體實驗教學中可以運用該技術替代上述實驗過程中具有潛在危害性、操作條件苛刻的部分內容，即可以在實驗的后兩個階段應用VR 技術， 該VR 平臺的構成主要包括[11]：（1）標準化 VR 系統 1 套。主要由 VR 軟件、交互系統及投影顯示系統等部件構成， 可以為用戶提供良好的交互性和沉浸感。 （2）VR-Touch 平臺 1 套。通過該平臺可交互操作顯示單元及多人協同虛擬引擎技術，使虛擬場景可以非常方便地呈現在不同的顯示應用環境中。 （3）VR 仿真軟件系統 1 套。 該仿真軟件包括前驅體溶液的放置到高溫環境、燃燒反應及保溫階段3 個虛擬仿真模塊。 燃燒合成粉體虛擬仿真實驗的開發旨在讓學生熟練掌握前驅體溶液如何安全、準確地放置在高溫環境中以及對燃燒過程和保溫階段發生的反應有清晰的認知，彌補現實實驗操作的不足，從而有效提高實驗的教學質量。

4 總結與展望

實踐性教學是高校教學的重要組成部分，是培養學生動手能力和創新能力的主要方式，VR 技術在教學中的應用為高校實踐性教學的改革提供了良好機遇。 將VR 技術應用于實踐教學特別是一些具有潛在危害性的實驗教學項目，不僅創新了教學手段，解決了實踐教學方式單一的缺憾，還能夠改善學生的學習體驗，讓學生通過沉浸、交互的方式，身臨其境卻又毫無危險地操作實驗，便于激發學生的學習興趣，從而提高學習效果。 同時開發的VR 實驗平臺可供其他專業或高校借鑒、學習，提高實驗資源的利用率。